Erdwärmesonden werden oft in Kombination mit Erdwärmepumpen verwendet, und die Effizienz der Wärmepumpe ist erforderlich, um die Gebäudelast in eine Erdlast umzuwandeln. In der Vergangenheit wurde dieser Wirkungsgrad als konstant angenommen, aber es ist genauer, variable Wirkungsgrade zu verwenden. In diesem Kapitel wird dieser neue Ansatz erläutert und gezeigt, wie er Ihre Erdsondenauslegung verbessern kann.
Effizienz der Wärmepumpe bei der Bohrlochgestaltung
Zurück in Teil 1.5, In diesem Fall wurde der Wirkungsgrad der Wärmepumpe eingeführt, um die Gebäudelast in eine Bodenlast umzuwandeln, die dann zur Simulation des lang- und kurzfristigen Verhaltens des Bohrlochs verwendet wird. In der Regel wird die Wärmepumpe mit saisonalen Wirkungsgraden modelliert (SCOP und SEER im Falle der Kühlung), wobei sowohl der Energiebedarf als auch die Spitzenleistung des Gebäudes in eine Erdlast umgerechnet werden. Obwohl dieser Ansatz relativ einfach ist, gibt es drei Hauptprobleme dabei:
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Durch die Verwendung des SCOP zur Umwandlung der Spitzenheizleistung in eine Extraktionsspitzenleistung wird die Spitzenleistung überschätzt. Dies liegt daran, dass der Wirkungsgrad der Spitzenleistung eigentlich durch den COP und nicht durch das SCOP gegeben ist. Da der COP in der Regel niedriger ist als der SCOP, wird die Bodenbelastung zu Spitzenzeiten überschätzt, was zu einem überdimensionierten Bohrloch führen kann.
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Bei der Verwendung eines SCOP bei B0/W35 zur Umwandlung des Heizbedarfs (und B0/W55 für Brauchwasser) in eine Grundlast wird davon ausgegangen, dass die Flüssigkeitstemperatur beim Eintritt in das Bohrloch 0°C beträgt. In den meisten Entwürfen tritt dies jedoch, wenn überhaupt, erst nach mehreren Jahren ein, was bedeutet, dass die durchschnittliche Temperatur in der Regel höher ist. Dies führt in der Realität zu einem höheren SCOP, so dass die Verwendung eines B0/W35-Wertes die Effizienz und damit das Ungleichgewicht unterschätzt, was zu einem unterdimensionierten Bohrloch führen kann.
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Wie in Teil 1.5, Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe hängt von der Flüssigkeitstemperatur des Bohrlochs ab und variiert daher je nach Auslegung. Da die SCOP jedoch in der Regel als Input und nicht als Output eines Bohrlochdesigns verwendet wird, ändert sie sich nicht, wenn das Design geändert wird. Dies ist kontraintuitiv und nicht repräsentativ für die Realität.
Aus diesen Gründen ist es klar, dass der traditionelle Ansatz mehrere wichtige Mängel aufweist. Im nächsten Abschnitt wird der Einfluss des gewählten Wirkungsgrads auf die Gestaltung des Bohrlochs näher erläutert.
Unterschiedliche Effizienzannahmen
Um die Auswirkungen der für die Auslegung des Bohrlochs verwendeten Effizienz zu quantifizieren, werden drei verschiedene Effizienzannahmen verwendet:
- Das traditionelle, konstante SCOP (bei B0/W35)
- Ein temperaturabhängiger COP
- Ein temperatur- und teillastabhängiger COP
Ausgehend von diesen unterschiedlichen Effizienzannahmen werden Bohrfelder für drei verschiedene Gebäude ausgelegt: ein Wohnhaus, ein Bürogebäude und ein Mehrzweckgebäude, von denen einige Merkmale in der nachstehenden Tabelle aufgeführt sind. Dabei werden sowohl die Auswirkungen auf die erforderliche Bohrlochtiefe (d.h. die Auswirkungen auf die tatsächliche Dimensionierung) als auch die Auswirkungen auf den endgültigen Systemwirkungsgrad untersucht.
| Gebäude | Strom | Jährliche Energie | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Heizung | Kühlung | Heizung | Kühlung | ||
| Wohngebäude | 66 kW | 97 kW | 153 MWh | 24 MWh | |
| Bürogebäude | 214 kW | 371 kW | 118 MWh | 118 MWh | |
| Multi-Utility-Gebäude | 535 kW | 676 kW | 643 MWh | 268 MWh | |
Auswirkung auf die erforderliche Bohrlochtiefe
Betrachtet man die Auswirkung der Wirkungsgradannahme auf die erforderliche Bohrlochtiefe, so stellt man fest, dass es fast keine Unterschiede zwischen den drei verschiedenen Annahmen gibt. Im Falle des Mehrzweckgebäudes erhöht sich die erforderliche Länge für eine Auslegung mit einer minimalen durchschnittlichen Flüssigkeitstemperatur von 3 °C geringfügig, wenn die Teillastabhängigkeit in den COP einbezogen wird. Der Anstieg beträgt jedoch nur 3 % und ist damit vernachlässigbar.
Ausgehend von diesen Ergebnissen gleichen sich die beiden Fehler, die bei der Arbeit mit einem konstanten Wirkungsgrad gegenüber einem temperatur- und teillastabhängigen Wirkungsgrad auftreten (nämlich die Überschätzung der Spitzenleistung und die gleichzeitige Unterschätzung des Ungleichgewichts), weitgehend aus.
Auswirkungen auf die Effizienz
Nachfolgend ist der durchschnittlich berechnete SCOP für die drei verschiedenen Fälle dargestellt. Es ist zu erkennen, dass der offizielle B0/W35-Wirkungsgrad dem temperaturabhängigen COP recht nahe kommt, auch wenn es manchmal einen kleinen Unterschied gibt. Ausgehend von den nachstehenden Beispielen gibt es also keinen wirklichen Grund, nur mit einem temperaturabhängigen COP zu arbeiten, da dies weder die Konstruktion noch das SCOP wesentlich verändert.
Wird dagegen die Teillastabhängigkeit berücksichtigt, ergibt sich bei SCOP eine signifikante Differenz von 10 bis 50 Prozent zwischen dem offiziellen B0/W35-Wert und dem erwarteten Wirkungsgrad. Dies ist auf einen doppelten Effekt zurückzuführen:
- Die Wärmepumpe arbeitet die meiste Zeit im effizienteren Teillastbetrieb
- Im Teillastbetrieb sind die Flüssigkeitstemperaturen aufgrund der geringeren Wärmeabfuhr höher, was zu einem effizienteren Betrieb führt.
Um die Bedeutung der Teillastabhängigkeit weiter zu verdeutlichen, zoomen wir auf das Mehrzweckgebäude. Unten ist das Temperaturprofil dargestellt.
Aus dem obigen Temperaturprofil ist ersichtlich, dass die durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur erheblich schwankt. Nachfolgend ist eine Nahaufnahme des COP in den ersten 5 Monaten sowohl für den temperaturabhängigen COP als auch für den temperatur- und teillastabhängigen COP dargestellt.
COP in den ersten 5 Monaten für den temperaturabhängigen COP und den temperatur- und teillastabhängigen COP der modulierenden Wärmepumpe. Es wird deutlich, dass die Schwankungen bei Berücksichtigung des Teillastverhaltens viel ausgeprägter sind, als wenn nur die Temperaturabhängigkeit berücksichtigt wird. Zweitens ist zu erkennen, dass in Spitzenzeiten, wenn beide Wärmepumpen unter Volllast arbeiten, ihre Wirkungsgrade übereinstimmen, was zu erwarten ist, da es in diesen Fällen kein Teillastverhalten gibt.
Da die Gebäude auch ein gewisses Ungleichgewicht aufweisen, wird sich der SCOP-Wert im Laufe des Simulationszeitraums ändern. In der nachstehenden Grafik sind die SCOP-Werte für jedes Jahr des 20-jährigen Simulationszeitraums für das Mehrzweckgebäude dargestellt, das auf eine Mindesttemperatur von 0 °C ausgelegt ist.
SCOP im Zeitverlauf für drei verschiedene Effizienzannahmen.
Es ist klar, dass bei Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der Wirkungsgrad zu Beginn höher ist als am Ende, was auf das von der Extraktion dominierte Bohrfeld zurückzuführen ist. Vor allem der rein temperaturabhängige COP führt nach 20 Jahren zu einem niedrigeren Wirkungsgrad als der Wert von SCOP B0/W35. Dies liegt daran, dass bei dieser Annahme das normale Teillastverhalten nicht berücksichtigt wird, wodurch der Wirkungsgrad bei einem Betrieb nahe 0 °C unterschätzt wird.
Der temperatur- und teillastabhängige COP zeigt dagegen deutlich den Vorteil einer modulierenden Wärmepumpe, deren Effizienz deutlich über dem offiziellen B0/W35-Wert von 4,86 für die Wärmepumpe SV62 liegt.
Simulieren mit modulierenden Wärmepumpen in GHEtool
Die Arbeit mit temperatur- und teillastabhängigen Effizienzdaten ist nicht einfach, da diese Informationen nicht in technischen Datenblättern verfügbar sind. Deshalb arbeiten wir direkt mit Wärmepumpenherstellern zusammen, um sehr detaillierte Messdaten zu erhalten und digitale Zwillinge ihrer Maschinen zu erstellen. Diese digitalen Zwillinge sind in GHEtool verfügbar, so dass Sie, wann immer Sie mit einer stündlichen Gebäudelast arbeiten, die Option haben, eine oder mehrere modulierende Wärmepumpen aus unserer Wärmepumpendatenbank auszuwählen.
In den folgenden Unterabschnitten werden verschiedene Varianten eines Basisszenarios mit einer einzelnen Wärmepumpe, einer Kaskadenkonfiguration aus zwei Wärmepumpen und einem tieferen Bohrfeld simuliert.
Basisszenario
Um die Bedeutung der Arbeit mit einer modulierenden Wärmepumpe zu veranschaulichen, wurde ein Gebäude mit einem Spitzenheizbedarf von 100 kW und einem jährlichen Heizbedarf von 200 MWh sowie einem Spitzenkühlbedarf von 40 kW und einem jährlichen Kühlbedarf von 40 MWh herangezogen. Das stündliche Lastprofil ist in der nachstehenden Abbildung dargestellt.
Im Basisszenario wurde eine HP500-Wärmepumpe von Enrad mit einer Leistung von 111 kW und einer offiziellen SCOP B0/W35 von 3,41 verwendet. Unter Verwendung dieses Wertes, 21 Bohrungen von 150 m, einem doppelten DN32-Wärmetauscher mit 25 v/v% MPG und einem Durchfluss von 0,3 l/s pro Bohrung ergab sich das folgende Temperaturprofil.
Zur Veranschaulichung der Auswirkungen der verschiedenen Effizienzannahmen werden die Simulationen mit einer konstanten Durchflussmenge durchgeführt. Wie im vorangegangenen Kapitel erörtert, wäre es jedoch besser, das System mit einer variablen Durchflussmenge zu konzipieren.
Die durchschnittliche Mindesttemperatur der Flüssigkeit liegt bei 0,12 °C, also knapp über unserem Schwellenwert von 0 °C.
Eine modulierende Wärmepumpe
Anstatt mit dem offiziellen Wert SCOP für die Wärmepumpe zu arbeiten, wählen wir nun die Wärmepumpe HP500 direkt aus der Liste aus und simulieren das Bohrloch mit ihr. Das neue Temperaturprofil ist unten dargestellt.
Es ist sofort ersichtlich, dass die Temperaturen jetzt niedriger sind als im ursprünglichen Entwurf und auf -1,02 °C sinken. Dies liegt vor allem daran, dass der Durchschnittswert von SCOP 4,66 und nicht 3,41 beträgt, wie im Datenblatt angegeben. Dies entspricht einem Anstieg des Wirkungsgrads um 37%, wodurch sich das Ungleichgewicht von 99 MWh pro Jahr auf 115 MWh pro Jahr erhöht, was die niedrigeren Temperaturen gegen Ende des Simulationszeitraums erklärt.
Der Abwärtstrend wird auch bei der Betrachtung der jährlichen SCOP-Grafik deutlich.
Mit den sinkenden Temperaturen nimmt auch die Leistung der Wärmepumpe ab. In diesem Fall ist die Wärmepumpe nicht mehr in der Lage, den Bedarf des Gebäudes im letzten Jahr vollständig zu decken, da sie bei -1,02 °C nur etwa 94 kW statt der erforderlichen 100 kW liefern kann. In GHEtool wird dies als “Leistungsmangel” dargestellt und ist unten abgebildet.
In diesem Fall ist dies kein wirkliches Problem, da die fehlenden 6 kW nur während einer Stunde des Simulationszeitraums auftreten.
Zwei modulierende Wärmepumpen
Die obige Simulation wurde mit einer einzelnen HP500-Wärmepumpe mit einer Nennleistung von 111 kW durchgeführt, die ausreichend, aber vielleicht etwas unterdimensioniert erschien, insbesondere gegen Ende der Simulation. In dieser zweiten Variante wurden zwei kleinere HP300-Einheiten mit einer Leistung von jeweils 60 kW gewählt, was eine verfügbare Gesamtleistung von 120 kW ergibt, die etwas höher ist als im vorherigen Fall. Die Effizienzkurve für diese Situation ist unten dargestellt.
Bei der Arbeit mit mehreren Wärmepumpen in Kaskade ist eine Strategie erforderlich, um zu bestimmen, wann jede Wärmepumpe in Betrieb genommen wird. Bei GHEtool wird für jede Leistungsstufe die maximale Anzahl von Wärmepumpen betrieben, um den durchschnittlichen Modulationsgrad und den Verschleiß so gering wie möglich zu halten und gleichzeitig die Genauigkeit zu verbessern.
Zur Veranschaulichung: Nehmen wir zwei Maschinen mit einer Leistung von 50 kW und einem Bedarf von 30 kW. Dies könnte durch den Betrieb einer Maschine mit 30 kW oder durch den Betrieb beider Maschinen mit 15 kW erreicht werden. In GHEtool wird immer die zweite Option gewählt. Bei einem Leistungsbedarf von weniger als 30 kW ist nur eine Maschine aktiv.
Der Gesamtdurchschnitt von SCOP liegt nun bei 4,93, was 6% höher ist als bei der Simulation mit einem einzigen HP500-Gerät. Die Temperaturen sind jedoch, wiederum aufgrund des höheren Wirkungsgrads, etwas niedriger und erreichen jetzt -1,5°C während der Spitzenbedingungen.
Ein tieferes Bohrfeld
Als dritte Variante ändern wir das Bohrfelddesign, um oberhalb der 0°C-Mindestschwelle zu bleiben. Statt 21 Bohrungen von 150 m Länge werden 10 Bohrungen von 250 m Länge angelegt, was zu einer deutlich höheren ungestörten Bodentemperatur führt. Darüber hinaus führt eine höhere Bodentemperatur auch zu einer Steigerung der Effizienz der Wärmepumpe. Das Temperaturprofil sowie die SCOP-Kurve sind unten dargestellt. Mit denselben zwei HP300-Einheiten ist das resultierende Temperaturprofil unten abgebildet.
Obwohl sich die Gesamtlänge des Bohrlochs von 3129 m auf 2490 m verringerte (ein Rückgang von 20%), bleibt die Temperatur nun über 0°C, mit einer minimalen durchschnittlichen Flüssigkeitstemperatur von 0,2°C. Der Durchschnittswert von SCOP stieg dagegen von 4,93 auf 5,14 - eine echte Win-Win-Situation.
Fazit
In diesem Kapitel wurde die letzte große Verbesserung der Genauigkeit der Erdsondenauslegung erforscht: die Arbeit mit variablen Wirkungsgraden. Dies ermöglicht nicht nur eine genauere Auslegung, da sowohl die Spitzenleistungen als auch das Ungleichgewicht genauer vorhergesagt werden, sondern bietet auch zusätzliche Erkenntnisse darüber, wie der Wirkungsgrad durch verschiedene Auslegungsentscheidungen beeinflusst wird, z. B. durch die Verwendung von zwei Wärmepumpen in einer Kaskadenkonfiguration anstelle einer einzelnen Einheit und durch die Arbeit mit tieferen Bohrfeldern.
Fragen
In der obigen Grafik ist für alle Gebäude eine größere Bohrlochtiefe erforderlich, wenn 3 °C als Mindestgrenzwert für die durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur verwendet wird, mit Ausnahme des Bürogebäudes, das in beiden Fällen gleich ausgelegt ist. Können Sie erklären, warum?
Herunterladen
- Download des stündlichen Lastprofils hier.
- GHEtool-Simulation aus diesem Kapitel herunterladen hier.
Literaturverzeichnis
- Peere, W. (2025). Integration von temperatur- und teillastabhängigem COP im oberflächennahen geothermischen Bohrfeld Design. In Tagungsband des Deutschen Geothermiekongresses DGK 2025. Frankfurt (Deutschland), 18-20 November 2025.
- Peere, W. (2026). Auf dem Weg zu einer genaueren Planung von Erdwärmesonden: Verwendung variabler Flüssigkeitseigenschaften, Durchflussmenge und Wärmepumpeneffizienz. Im Tagungsband der GeoTHERM expo & congress, Offenburg, Deutschland, 26-27 Februar 2026. Link